手性共價(jià)有機(jī)骨架材料CTpPa-1用于HPLC固定相拆分手性化合物

余云艷，袁寶燕，許娜艷，章俊輝，富 楠，謝生明，袁黎明

(云南師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，云南 昆明 650500)

共價(jià)有機(jī)骨架材料(Covalent organic frameworks,COFs)是近年來研究較多的一類新型有機(jī)多孔晶體材料，以輕質(zhì)元素C、O、N、B、H、Si等通過共價(jià)鍵連接，形成具有周期性結(jié)構(gòu)的多孔骨架[1-2]。COFs作為一類新型的多孔材料，具有低密度、永久的孔隙結(jié)構(gòu)、大比表面積、良好的溶劑穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，在氣體吸附、傳感、催化、儲(chǔ)存和光電化學(xué)等許多領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[3-9]。

近年來，COFs在色譜分離領(lǐng)域的應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注。目前，已有少量COFs材料被成功用于氣相色譜(GC)、高效液相色譜(HPLC)和毛細(xì)管電色譜(CEC)，如將TpBD[10]、LZU-1[11]、TpPa-1[12]、COF-5[13]和手性COFs[14-16]等作為色譜固定相用于同系物、位置異構(gòu)體、外消旋化合物的分離。2016年，嚴(yán)秀平團(tuán)隊(duì)[14]將手性COFs材料CTpPa-1用作氣相色譜固定相制得毛細(xì)管手性柱，該柱對(duì)手性化合物(1-苯基乙醇、1-苯基-1-丙醇、檸檬烯和乳酸甲酯)表現(xiàn)出良好的對(duì)映選擇性和拆分能力。隨后，章偉光課題組[15]構(gòu)建了一種新型手性COFs材料BtaMth@SiO2，并將其作為固定相制備了高效液相色譜柱，該柱對(duì)硝基甲苯、硝基氯苯等位置異構(gòu)體以及β-氯氰菊酯、葉菌唑等順反異構(gòu)體具有高分辨的分離性能，但未用于拆分手性化合物。2018年，崔勇課題組[16]首次報(bào)道了將一種3D手性COFs材料CCOF-6用于高效液相色譜手性分離的研究，1-苯基-2-丙醇、1-苯基-1-戊醇、1-苯基-1-丙醇、1-(4-溴苯)-乙醇在該手性柱上實(shí)現(xiàn)了基線分離?？梢姡中訡OFs材料在手性分離領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

通過醛基和胺縮合的席夫堿反應(yīng)制備的COFs材料具有良好穩(wěn)定性，適合用作色譜固定相[17]。本文以合成的CTp為手性有機(jī)單體，將其與對(duì)苯二胺(Pa-1)發(fā)生席夫堿反應(yīng)合成手性COFs材料CTpPa-1[14]。制備的CTpPa-1呈現(xiàn)蓬松的絮狀，其骨架密度為1.53 g·cm-3，但純CTpPa-1材料不適合直接裝柱。隨后將CTpPa-1與C18球形硅膠混合作為固定相成功制備了高效液相色譜柱?？疾炝嗽揅TpPa-1手性柱的手性識(shí)別性能，將不同類型的手性化合物作為測(cè)試樣品在CTpPa-1手性柱上進(jìn)行分離實(shí)驗(yàn)。該手性柱對(duì)醇類、酮類、酚類、有機(jī)酸類、胺類等18種手性化合物實(shí)現(xiàn)了不同程度的拆分，對(duì)位置異構(gòu)體(硝基苯酚、溴苯胺、二硝基苯)也具有一定的分離能力。表明手性COFs材料作為固定相有望在高效液相色譜領(lǐng)域得到應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

六亞甲基四胺(純度98%，天津Alfa Aesar化學(xué)有限公司)；無水間苯三酚(純度99%，上海Aladdin生化科技股份有限公司)；(+)-二乙?；?L-酒石酸酐(上海TCI化成工業(yè)發(fā)展有限公司)；對(duì)苯二胺(Pa-1，純度99%)和三氟乙酸(純度99%)均購于上海Adamas-beta試劑公司；C18球形硅膠(孔徑120 ?，粒徑5 μm，碳載量17%)購于美國Sepax Technologies公司；四氫呋喃(分析純，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所)；濃鹽酸(昆明市嵩明縣楊林工業(yè)開發(fā)區(qū))；無水硫酸鎂、二氯甲烷、無水乙醇、正己烷和異丙醇均為分析純，購于天津風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司；位置異構(gòu)體購于上海Adamas公司；手性化合物購自日本TCI公司和美國Fluka公司；去離子水由ELGA LabWater純水機(jī)制備。

EClassical 3100型高效液相色譜儀(大連依利特分析儀器有限公司)，配有P3100高壓恒流泵和UV3100紫外-可見檢測(cè)器；由iChrom W5100液相色譜工作站進(jìn)行儀器控制和數(shù)據(jù)采集；色譜柱由O3100色譜柱溫箱控制柱溫；高壓勻漿法液相色譜裝柱機(jī)(深圳市正大流體機(jī)電設(shè)備有限公司)；不銹鋼液相色譜空柱(250 mm×2.1 mm i.d.，美國Alltech公司)；粉末X射線衍射儀(Rigaku公司)；Magna-560傅立葉變換紅外光譜(FTIR，4 000～400 cm-1，Nicolet，Madison，WI)；S-3000N型掃描電子顯微鏡(日本Hitachi Science Systems公司)；BELSORP-max型全自動(dòng)比表面積和孔徑分析儀(日本麥奇克拜爾有限公司)；FA2204B型分析天平(上海精科天美儀器有限公司)；50 mL比重瓶(江蘇華鷗玻璃有限公司)；科偉DZF型真空干燥箱(北京科偉永興儀器有限公司)；安科OSB-2100旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(上海泉杰儀器有限公司)；ELGA-LC134純水機(jī)(英國ELGA公司)。

1.2 Tp的合成

參照文獻(xiàn)[18]合成1,3,5-三甲?；g苯三酚(Tp)：稱取六亞甲基四胺(15 g，108 mmol)和無水間苯三酚(6 g，49 mmol)，混合均勻后加入500 mL兩頸圓底燒瓶?jī)?nèi)，N2保護(hù)下向其中緩慢加入90 mL三氟乙酸，邊加邊攪拌。混合溶液在100 ℃油浴鍋中加熱回流2.5 h后，向燒瓶?jī)?nèi)加入150 mL 0.3 mol/L的鹽酸，繼續(xù)反應(yīng)1 h后停止加熱。當(dāng)溫度降至室溫時(shí)，用砂芯漏斗抽濾除去濾渣，取下層液體于1 000 mL分液漏斗中，加入350 mL二氯甲烷萃取3次。有機(jī)相用無水MgSO4干燥，過濾，濾液旋干后得到粉白色的固體。

1.3 CTp的合成

參照文獻(xiàn)[14]合成CTp：取合成的Tp(0.3 g，1.5 mmol)與(+)-二乙?；?L-酒石酸酐(3.8 g，18 mmol)分別超聲分散于150 mL無水四氫呋喃中，在N2保護(hù)下，將Tp的分散液逐滴加至(+)-二乙?；?L-酒石酸酐的分散液中，超聲混合均勻，混合物在60 ℃回流24 h。冷卻至室溫后，向其中加入10 mL水?dāng)嚢柩泳彿磻?yīng)，濾液旋干，得到黃綠色殘?jiān)?。用蒸餾水洗滌殘?jiān)?，真空干燥得CTp。

1.4 手性COFs材料CTpPa-1的合成

參照文獻(xiàn)[14]合成手性COFs材料CTpPa-1：稱取合成的CTp(0.095 g,0.1 mmol)和Pa-1(0.016 g,0.15 mmol)溶解于18 mL無水乙醇和2 mL無水四氫呋喃的二元混合溶劑中，冰浴中超聲分散10 min，將獲得的混合物移至帶有冷凝管的三頸燒瓶中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)、80 ℃下回流4 h，冷卻至室溫。用無水四氫呋喃和無水乙醇洗滌3次，得到土黃色的沉淀物，于120 ℃下真空干燥24 h得到CTpPa-1(77.5 mg)，產(chǎn)率為76%。

1.5 手性固定相的制備

依次稱取0.6 g CTpPa-1、0.6 g C18球形硅膠于50 mL小燒杯中，通過攪拌和超聲的方法將兩者按1∶1(質(zhì)量比)混合均勻，作為固定相備用。

1.6 CTpPa-1色譜柱的填裝

采用高壓勻漿法進(jìn)行液相色譜柱的填裝，稱取“1.5”中制備的固定相1.2 g于50 mL小燒杯中。加入36 mL正己烷-石蠟(9∶1,體積比)溶液配成懸浮液，然后迅速將其倒入勻漿罐中，以正己烷-異丙醇(9∶1,體積比)作為頂替液，以35～40 MPa的N2壓力裝柱5 min后，將N2壓力緩慢降至20～25 MPa再裝柱30 min。以0.1 mL/min流速將填充好的手性CTpPa-1色譜柱用正己烷-異丙醇(9∶1)沖洗2 h，基線平穩(wěn)后進(jìn)行色譜分離實(shí)驗(yàn)。

圖1 CTpPa-1的PXRD圖

1.7 色譜分離條件與性能評(píng)價(jià)參數(shù)

將位置異構(gòu)體和手性化合物分別用無水乙醇和正己烷-異丙醇(9∶1)溶解，配制成質(zhì)量濃度約為50 μg/mL的標(biāo)準(zhǔn)溶液，經(jīng)濾膜過濾和超聲脫氣后進(jìn)樣檢測(cè)，每次進(jìn)樣量為5 μL。分別配制不同體積比的正己烷-異丙醇(99∶1、95∶5、90∶10、80∶20、70∶30)作為流動(dòng)相，溶劑在配制流動(dòng)相前用0.45 μm有機(jī)濾膜過濾并超聲脫氣10 min；流速為0.1 mL/min；柱溫為25 ℃；檢測(cè)波長為254 nm。

采用保留因子(k)、分離因子(α)、分離度(RS)作為該CTpPa-1手性柱的色譜拆分性能評(píng)價(jià)參數(shù)。計(jì)算公式分別為：k=(t1-t0)/t0，α=k2/k1，RS=(t2-t1)/[W1/2(1)+W1/2(2)]，其中t0為色譜柱的死時(shí)間，采用1,3,5-三叔丁基苯測(cè)得;t1和t2分別為第1個(gè)流出峰和第2個(gè)流出峰的保留時(shí)間;W1/2(1)和W1/2(2)分別表示兩個(gè)峰的半峰寬。

圖2 CTpPa-1的紅外光譜圖

圖3 固定相的掃描電鏡圖

2 結(jié)果與討論

2.1 手性COFs CTpPa-1的表征

對(duì)合成的手性COFs CTpPa-1進(jìn)行粉末X射線衍射(PXRD)表征，并與文獻(xiàn)[14]進(jìn)行了對(duì)比。由圖1可見，合成的手性COFs CTpPa-1在4.8°左右出現(xiàn)1個(gè)強(qiáng)峰，8.1°附近和25.8°附近出現(xiàn)2個(gè)較弱的信號(hào)峰，其主要衍射峰與文獻(xiàn)報(bào)道的模擬和實(shí)驗(yàn)PXRD衍射峰的位置及強(qiáng)度基本保持一致，表明已成功合成手性COFs CTpPa-1。

將合成的手性COFs材料與C18硅膠混合作為固定相制備HPLC柱。圖3為手性COFs CTpPa-1固定相的掃描電鏡(SEM)圖。由SEM圖可知，C18硅膠和CTpPa-1混合較均勻。

在77 K條件下測(cè)試了CTpPa-1的氮吸附-脫附等溫線(圖4A)，得到其孔容為0.37 cm3·g-1。由圖4B可知，該材料存在3個(gè)區(qū)域的孔徑分布，分別在1.3、2.2、3.0 nm左右，用非定域密度函數(shù)理論(NLDFT)計(jì)算得到其孔徑主要集中在1.3 nm[14]，其骨架密度為1.53 g·cm-3。

圖4 CTpPa-1的氮吸附-脫附等溫線(A)與孔徑分布(B)

2.2 CTpPa-1手性柱的分離性能研究

2.2.1 外消旋化合物的拆分采用不同比例的正己烷-異丙醇作為流動(dòng)相，考察了CTpPa-1手性柱的手性識(shí)別能力，對(duì)一系列外消旋化合物進(jìn)行手性拆分。結(jié)果表明，該固定相具有良好的手性識(shí)別能力，有18種手性化合物實(shí)現(xiàn)了不同程度的拆分(見表1)。18個(gè)手性化合物在CTpPa-1手性柱上的分離色譜圖見圖5。

表1 外消旋化合物在CTpPa-1柱上的拆分

圖5 外消旋化合物在CTpPa-1柱上拆分的HPLC色譜圖

由表1可知，1,2-二苯基乙二醇、1-(4-氯苯基)乙醇、1-(9-蒽基)-2,2,2-三氟乙醇、二苯基乙醇酮、吡喹酮、鹽酸普萘洛爾、吲哚洛爾、鹽酸克倫特羅、酮洛芬、布洛芬、氨氯地平、奧美拉唑等12種手性化合物在CTpPa-1手性柱上實(shí)現(xiàn)了較好的拆分，有5個(gè)手性化合物達(dá)到基線分離，7種手性化合物接近基線分離，最大分離度達(dá)3.65。該手性柱對(duì)醇類、酮類、酚類、有機(jī)酸類、胺類等化合物有較好的手性拆分能力。此外，將手性CTpPa-1柱(A柱)與手性COF柱(CCOF-6柱)、手性MOF柱(B柱)和商品AD柱(C柱)的手性拆分能力進(jìn)行了對(duì)比。其中，CCOF-6柱僅對(duì)手性醇類表現(xiàn)出良好的拆分性能[16]。在被拆分的18種手性化合物中，有9種手性化合物在手性MOF柱[19](B柱)上未得到拆分，但在A柱上得到了較好的拆分，分別為1-(9-蒽基)-2,2,2-三氟乙醇、吡喹酮、吲哚洛爾、美托洛爾、鹽酸克倫特羅、馬來酸氯苯那敏、3,5-二硝基-N-(1-苯乙基)苯甲酰胺、氨氯地平和奧美拉唑，然而B柱對(duì)華法林、1,1′-聯(lián)-2-萘酚等有較好的拆分效果；有6種手性化合物在商品AD柱[20](C柱)未得到拆分，分別為氧氟沙星、1,1′-聯(lián)-2-萘酚、美托洛爾、鹽酸克倫特羅、布洛芬、氨氯地平。另外，部分手性化合物在A柱上的分離因子高于C柱。通過對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，不同類型的手性固定相表現(xiàn)出不同的手性識(shí)別能力，具有明顯的手性拆分互補(bǔ)作用。

手性CTpPa-1固定相對(duì)多種不同類型的手性化合物表現(xiàn)出一定的拆分能力，其手性分離機(jī)理比較復(fù)雜。手性識(shí)別能力主要與晶體的結(jié)構(gòu)及其手性微環(huán)境有關(guān)，本文采用“bottom-up strategy”方法先將Tp與(+)-二乙?；?L-酒石酸酐功能化，形成手性功能化單體CTp，再通過CTp上的醛基與Pa-1上的氨基縮合成亞胺鍵以形成具有二維重疊層狀結(jié)構(gòu)的CTpPa-1。因此CTpPa-1骨架結(jié)構(gòu)中的羧基和亞胺存在氫鍵受體或供體，易于形成氫鍵作用；酯基存在較強(qiáng)的偶極作用；骨架中的苯環(huán)能與含苯環(huán)結(jié)構(gòu)的手性化合物發(fā)生π-π相互作用。外消旋化合物在CTpPa-1中可能存在多種對(duì)映體選擇識(shí)別機(jī)制，如手性立體匹配、氫鍵、偶極-偶極作用、π-π相互作用和范德華力等。例如，手性COFs CTpPa-1固定相對(duì)醇類化合物的拆分效果較好，表明醇的羥基與CTpPa-1亞胺中的氮原子之間存在的氫鍵對(duì)于手性識(shí)別起著重要作用。

2.2.2 位置異構(gòu)體的分離采用不同比例的正己烷-異丙醇作為流動(dòng)相，考察了CTpPa-1柱對(duì)位置異構(gòu)體的分離能力。由表2和圖6可知，硝基苯酚、溴苯胺、二硝基苯3種位置異構(gòu)體在CTpPa-1柱上得到了不同程度的分離。

表2 3種位置異構(gòu)體在CTpPa-1柱上的分離

圖6 位置異構(gòu)體在CTpPa-1柱上的HPLC分離譜圖

Fig.6 HPLC chromatograms for separation of positional isomers on the CTpPa-1 column

A：o,m,p-nitrophenol，B：o,m,p-bromoaniline，C：o,m,p-dinitrobenzene；mobile phase：hexane-isopropanol(Table 1)；flow rate:0.1 mL·min-1;UV:254 nm

2.3 CTpPa-1手性柱的重現(xiàn)性與穩(wěn)定性

在流速為 0.1 mL/min，檢測(cè)波長為 254 nm條件下，選用1-(4-氯苯基)乙醇和吲哚洛爾考察了CTpPa-1手性柱的重現(xiàn)性。結(jié)果表明，以正己烷-異丙醇(95∶5)為流動(dòng)相，該柱經(jīng)歷了50、100、150、200、250次連續(xù)進(jìn)樣后，1-(4-氯苯基)乙醇的色譜拆分效果基本保持不變(圖7A)，連續(xù)取樣多次后，樣品的洗脫時(shí)間也無明顯變化，其樣品的保留時(shí)間與峰面積的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)分別為0.86%和1.1%；以正己烷-異丙醇(80∶20)為流動(dòng)相，用3個(gè)批次的CTpPa-1柱對(duì)吲哚洛爾進(jìn)行重現(xiàn)性分析，樣品的保留時(shí)間無明顯改變(圖7B)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該手性柱在色譜分離過程中具有良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。

圖7 1-(4-氯苯基)乙醇(A)和吲哚洛爾(B)的重現(xiàn)性色譜圖

3 結(jié) 論

本文按文獻(xiàn)合成了一種二維重疊層狀結(jié)構(gòu)的手性COFs材料CTpPa-1，將其與C18硅膠混合用作高效液相色譜固定相制備成手性柱，并對(duì)多種不同類型的手性化合物進(jìn)行分離測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在正己烷-異丙醇流動(dòng)相體系下，制備的手性COFs柱對(duì)醇類、酮類、酚類、有機(jī)酸類、胺類等18種外消旋化合物表現(xiàn)出較好的手性拆分能力，對(duì)一些位置異構(gòu)體(硝基苯酚、溴苯胺、二硝基苯)也具有一定的分離能力。因此，該手性COFs材料CTpPa-1作為新型高效液相色譜固定相分離外消旋化合物有一定的研究意義，拓展了手性COFs在高效液相色譜分離領(lǐng)域中的應(yīng)用。